孟武勝，何 瀟，楊 陽，李 艷

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安 710072)

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，筆記本電腦的電池會(huì)由外置變?yōu)閮?nèi)置，這就需要電壓的下降來支持，而電壓的下降又是需要電源供電的可靠性來提供的，這就對(duì)電池充電器的要求越來越高，恒功率型單片開關(guān)電源對(duì)于筆記本電池的充電可靠性提供了保障。

恒功率型單片開關(guān)電源的特點(diǎn)是:當(dāng)輸入電壓Uo 降低時(shí)，利用恒功率控制電路迫使輸出電流Io增大，使二者乘積Io×Uo 不變，輸出功率Po 保持恒定。這種開關(guān)電源可作為高效、快速、安全的電池充電器，對(duì)筆記本電池進(jìn)行充電。恒功率輸出特性曲線近似為一條雙曲線［4］。

TOP202Y 構(gòu)成的15V、15W 橫功率型開關(guān)電源電路如圖1 所示。輸入電壓從15V(即100% ×Uo)降至7.5V(即50% × Uo)時(shí)，恒功率準(zhǔn)確度可達(dá)±10%。恒功率控制電路由VT1、VT2、VDZ3－VDZ4、R1－R7 構(gòu)成。VT1 工作在飽和區(qū)。VT1 和VT2 應(yīng)選參數(shù)一致性很好的3DK4B 型開關(guān)管。R1為電流檢測(cè)電阻，VT2 用來監(jiān)視R1 上的電壓降。該電路具有很好的溫度補(bǔ)償特性，能對(duì)VT1、VT2的偏壓以及輸出電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償［2］。

設(shè)計(jì)中，由于TOP202Y 芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路基本分為輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、恒功率控制電路等部分［1］。

2 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流、電容穩(wěn)壓三部分。如圖2 所示。

交流濾波采用技術(shù)成熟的Ⅱ型濾波電路，具體參數(shù)如下:去除差模干擾的C8、C9為0.1μF/250V;去除共模干擾的C10、C11為10nF;濾波線圈L1為10～33mH，采取雙線并繞。整流電路選擇不可控的整流橋，整流二極管的反向耐壓應(yīng)大于400V，其承受的沖擊電流應(yīng)大于額定整流電流的7～10 倍。還應(yīng)注意，選定的整流二極管的穩(wěn)態(tài)電流容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍。

設(shè)計(jì)中，選擇800V/3A的整流橋，或選用四個(gè)IN4007 作整流二極管構(gòu)成整流橋。在當(dāng)前的供電條件下，電容C1的值可根據(jù)輸出功率按照1μF/W來取值，在考慮余量后，取C1=22μF/400V。交流電壓輸入范圍為187V－253V［3］。

即:VACmin=187V，VACmax=253V

假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為tc=3ms，可由下兩式得出輸入直流電壓最小值和最大值為:

式中:η——系統(tǒng)效率，可選擇80%;

fL——交流電網(wǎng)頻率;

P0——電源輸出功率。

圖1 15W 恒功率型開關(guān)電源的電路

圖2 TOP202Y 整流濾波電路

3 箝位保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)TOP202Y的功率MOSFET 管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在高頻變壓器T的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和反射電壓，其中尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感而形成的，它與直流高壓和反射電壓疊加后很容易損壞MOSFET 管。為此，必須設(shè)計(jì)箝位保護(hù)電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行箝位和吸收。

圖3 中VD1 和VD2 構(gòu)成的箝位電路可防止高壓對(duì)TOP202Y的損壞，VD1 與VD2的選擇由反射電壓VOR決定。一般VOR取135V，VD1 箝位電壓可由經(jīng)驗(yàn)公式VCLO=1.5VOR得出，VD2的耐壓值應(yīng)大于最大直流輸入電壓。

圖3 箝位保護(hù)電路

設(shè)計(jì)中VD1 采用反向擊穿電壓為200V的TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)P6KE200，VD2 采用反向耐壓為600V的超快恢復(fù)二極管BYV26C。

(1)選磁芯

為滿足TOP202Y 芯片100KHz的工作頻率，選用錳鋅鐵氧體材料的磁芯。通常，輸出功率和磁芯截面積有下面的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:Ae——變壓器磁芯的有效截面積(cm2);

PO——電源輸出功率(W);

ηt——變壓器的效率，一般取85%。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算，選擇EI－28 鐵氧體磁芯，其有效截面積大于Ae的計(jì)算值。

圖4 變壓器繞組

(2)計(jì)算最大占空比Dmax

式中:VOR——一次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓，取135V;

VDS——MOSFET的漏－ 源極通態(tài)電壓，取10V。

(3)計(jì)算變壓器的初級(jí)自感LP

式中:fs——開關(guān)頻率，取100KHz;

η——電源效率，可取80%。

(4)計(jì)算初、次級(jí)繞組匝數(shù)

對(duì)于AC220V 固定輸入，次級(jí)繞組應(yīng)取0.6 匝/V，輸出電壓Vo=15V，故求得

次級(jí)繞組匝數(shù)為:

Ns=0.6(Vo+0.7)=10 匝(取整后)

初級(jí)繞組匝數(shù)為:

反饋繞組匝數(shù)為:

VOR——初級(jí)反射電壓;取135V;

VFB——反饋電壓，取為10.4V。

(5)計(jì)算氣隙長(zhǎng)度

式中:Lg——?dú)庀堕L(zhǎng)度(mm)

μr——常數(shù)，4π×10－7H/m

Ae——磁芯截面積(mm2)

這里應(yīng)注意:如果在中心柱開氣隙，則高度為L(zhǎng)g;為了達(dá)到同樣效果且簡(jiǎn)單易行，在兩個(gè)外柱上應(yīng)各墊1/2Lg 高度的絕緣墊片。

(6)確定導(dǎo)線線徑

在100KHz 開關(guān)頻率下，銅導(dǎo)線的穿透深度是0.21mm，故所選導(dǎo)線的直徑要小于0.42mm。通過計(jì)算各繞組的平均電流(IAVG)、峰值電流(IP)、均方根電流(IRMS)可確定出所用導(dǎo)線的線徑。本設(shè)計(jì)中初級(jí)繞組和反饋繞組用線徑0.31mm的導(dǎo)線單股繞，次級(jí)繞組用線徑為0.35mm的導(dǎo)線雙股并繞。

4 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路由整流二極管和濾波電容構(gòu)成。選用肖特基二極管作為整流二極管可以降低正向?qū)〒p耗，如圖5 所示。此外，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面也有明顯的性能優(yōu)勢(shì)［5］。選取的原則是根據(jù)最大反向峰值電壓。次級(jí)繞組的反向峰值電壓VSM為:

式中:VS——次級(jí)繞組輸出電壓;

VACmax——輸入交流電壓最大值

圖5 輸出濾波電路

本設(shè)計(jì)中整流二極管選用MUR420，其反向電壓值VR=200V，工作電流ID=4A，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)輸出濾波電容而言，ESR(等效串聯(lián)阻抗)和紋波電流是它的兩個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)電容兩端電壓小于35V時(shí)，ESR 只與電容的體積有關(guān)，本設(shè)計(jì)選擇細(xì)高型的120μF/35V 低ESR 電容。

輸出濾波電感采用3.3μH的穿心電感，它是近年來問世的一種超小型的非晶合金磁性材料，又叫磁珠電感。其外形呈管狀，引線穿心而過，其直流電阻非常小。它能主動(dòng)抑制開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。

為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容。

5 恒功率控制部分

恒功率控制電路由5 部分組成(見圖6):

圖6 恒功率控制電路

(1)電壓調(diào)節(jié)電路(IC2、VDZ2、R5)，利用帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路使Uo 在恒壓區(qū)內(nèi)保持恒定。

(2)電壓補(bǔ)償電路(VDZ3、R6、R4)，可對(duì)VT2的發(fā)射結(jié)電壓UBE2 進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)電流檢測(cè)電阻(R1)。

(4)帶溫度補(bǔ)償?shù)钠珘弘娐?VT1、R2)，其作用是給VT2 提供偏置電壓UB1，它的發(fā)射結(jié)壓降UBE1 和UBE2相等且具有相同的溫度系數(shù)。

(5)恒流源電路(VDZ4、R7、R3)，給偏壓電路提供恒定的集電極電流IC1。

當(dāng)Io 較小時(shí)，VT2 截止，而VDZ2 處于穩(wěn)壓區(qū)，開關(guān)電源工作在恒壓方式下，Uo=15V，此時(shí)恒功率電路不工作。設(shè)VT2的基極偏壓為UB2，僅當(dāng)UB2 +UR1=UBE2時(shí)，VT2 才開始導(dǎo)通，而VDZ2立即截止，電路就從恒壓控制迅速轉(zhuǎn)入恒功率控制，并按下述正反饋工作流程工作。

Uo↓→Io↑→UR1 ↑→IF↓→IC↓→D↑→Io↑，使Po 保持不變。

6 分析和結(jié)論

通過對(duì)三端脫線式PWM 開關(guān)TOP Switch 系列器件的研究，將MOSFET 功率開關(guān)和PWM 控制器集成在一塊芯片中，組成單片式開關(guān)電源，使得開關(guān)電源的效率和穩(wěn)定性大幅度提高，同時(shí)大大降低了開關(guān)電源的成本、體積、重量。

［1］陳緯.TOP Switch 單片開關(guān)電源的原理及應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2004(5).53－56.

［2］尚修香，侯振義.采用Topswitch 系列芯片的單片開關(guān)電源效率研究［J］.電子元器件應(yīng)用，2007(10):78－80.

［3］曹豐文.TOPSwitch 單片開關(guān)電源及其應(yīng)用［J］.蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(1):52－56.

［4］張發(fā)生.由新型TOP224Y 構(gòu)成12V/40W 開關(guān)電源［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(1):16－19.

［5］馬瑞卿.一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)［C］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2010－2.